JP4875527B2 - プラズマ発生装置およびこれを用いた薄膜形成装置 - Google Patents
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Description
高品質な薄膜を高速で製膜するためには、高圧下(例えば1kPa以上)において高周波数の電圧を電極に印加する必要があり、さらに、電極と基板との距離を狭くすることが必要となる。
また、大面積の薄膜を形成する際には、電極上での定在波の影響を低減する必要がある。この対策として、複数の小型平板電極を並べることによってプラズマの均一化を図る方法や、基板とは独立したカソード部とアノード部との間でプラズマを生成する方法が開示されている(例えば特許文献1参照)。
薄膜形成装置120は、基板110を支持および加熱する基板支持部材104と、基板支持部材104に対向して配置されたカソード部121およびアノード部122を主に有している。また、アノード部122はアースブロック123に設置され、カソード部121は絶縁材125を介してアースブロック123に設置されている。
図6(a)に示すように、カソード部121と基板支持部材104との距離が広い場合には、カソード部121とアノード部122との間にプラズマが生ずるためリターンパスは等しくなるが、プラズマと基板との距離が遠く、プラズマにより生成される製膜前駆体が基板に届きにくくなるため、製膜速度が遅くなるという問題があった。一方で、図6(b)に示すように、カソード部121と基板支持部材104との距離が狭い場合には、カソード部121と基板110との間で放電するため、十分な製膜速度が得られるが、リターンパスが長くなるという問題があった。
本発明に係る薄膜形成装置は、プラズマを利用して基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記基板の表面に対向して配置され、互いに所定の間隔をおいて配置される複数のカソード部と、前記基板の表面に対向して配置されるとともに、該カソード部間に少なくとも一つ配されるアノード部と、前記カソード部および前記アノード部と前記基板を介して反対側に配置され、前記カソード部との間および前記アノード部との間にプラズマを発生させるための基板支持部材と、前記カソード部および前記アノード部に接続され、前記カソード部に高周波電圧を供給する少なくとも1つの高周波電源とを備え、前記アノード部は少なくとも1つのカソード部と対をなして配置され、更に、対をなして配置された前記カソード部と前記アノード部との間の距離が、両者間で放電が発生しない距離であり、かつ、全ての対においていずれも略等しく設定され、前記基板支持部材の電位が、前記カソード部の電位と前記アノード部の電位との間の浮遊電位とされていることを特徴とする。
更に、対をなして配置されたカソード部とアノード部との間の距離はいずれも略等しく設定されているため、いずれの対においても、上記のリターンパスは等しい長さとなる。したがって、リターンパスのインピーダンスを均一化することができ、薄膜を均一的に形成することが可能となる。また、カソード部とアノード部との設置数を基板の面積に応じて変えることにより、基板の面積にかかわらず均一な薄膜を形成させることが可能となる。
また、上記構成によれば、基板支持部材を接地する必要がないため、基板支持部材に対する電気的接続が不要となる。これにより、移動物との電気的接触が不要となり、電気的な安定性を確保することができるため、薄膜を形成する際の再現性を向上させることが可能となる。
以下に、本発明に係る薄膜形成装置およびプラズマ発生装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1において、本実施形態に係る薄膜形成装置1は、反応室12と、反応室12内に設けられたプラズマ発生装置5とを備えている。プラズマ発生装置5は、基板10の表面に対向して配置され、互いに所定の間隔をおいて配置される複数のカソード部3と、基板10の表面に対向して配置されるとともに、該カソード部3間に少なくとも一つ配されるアノード部4と、カソード部3およびアノード部4と基板10を介して反対側に配置され、カソード部3との間およびアノード部4との間でプラズマを発生させるための基板支持部材11とを主な構成として備えている。
カソード部3は、例えば、基板10の長さ方向および幅方向に、所定の間隔をおいて2次元的に配置されている。また、上記アノード部4は少なくとも1つのカソード部3と対をなして配置されている。
また、上記の電極間の距離は、長すぎても電子が気体分子と衝突しすぎてエネルギーを失ってしまい、電極まで到達することができないためにプラズマを維持することができなくなる。したがって、カソード部3とアノード部4との間隔をある閾値以上とすることによっても、カソード部3とアノード部4との間での放電を防止することができる。
なお、カソード部3とアノード部4との間に絶縁体を設けることによっても同様の効果が得られる。
カソード部3は、反応室の外側に設けられた高周波電源2に接続されている。また、アノード部4は、接地されている。
なお、カソード部3に発生する定在波の影響を避けるため、カソード部3の表面の長さ方向の距離は、高周波電圧の4分の1波長より小さいものとされている。
まず反応室12を真空排気系(図示せず)によって排気しながら、ガス導入系(図示せず)により反応室12が一定のガス圧となるように反応ガスが導入される。さらに、カソード部3およびアノード部4に高周波電源2によって高周波電圧が印加されることにより、基板支持部材11に浮遊電位が生じる。その結果、図2に示すように、基板支持部材11の電位はカソード部3の電位とアノード部4の電位との間となる。これにより、高周波電源2からカソード部3にプラスの電圧が供給されている期間においては、カソード部3と基板支持部材11との間、基板支持部材11とアノード部4との間でプラズマが発生し、カソード部3、基板支持部材11、対となるアノード部4を通るリターンパスが形成される。また、高周波電源2からカソード部3にマイナスの電圧が供給されている期間においては、アノード部4と基板支持部材11との間、基板支持部材11とカソード部3との間でプラズマが発生し、アノード部4、基板支持部材11、対となるカソード部3を通るリターンパスが形成される。
そして、このようにして発生したプラズマにより、基板支持部材11によって所定の温度に加熱された基板10の表面上に膜が形成される。
この場合において、対をなして配置されたカソード部3とアノード部4との間の距離はいずれも略等しく設定されているため、いずれの対においても、上記のリターンパスは等しい長さとなる。したがって、リターンパスのインピーダンスを均一化することができ、薄膜を均一的に形成することが可能となる。
次に、本発明の第2の実施形態について、図3を用いて説明する。
本実施形態の薄膜形成装置が第1の実施形態と異なる点は、基板がカソード部およびアノード部に対して相対的に移動する点である。以下、本実施形態の薄膜形成装置について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
上記カソード部23は、基板10の移動経路の下方に配置されており、上方を移動する基板の長さ方向(移動方向と一致)および幅方向(移動方向と直交する方向)に沿って2次元的に配置されている。また、上記アノード部24は少なくとも1つのカソード部23と対をなして配置されている。
カソード部23とアノード部24とは放電が起きない間隔で配置されている。また、対をなして配置されたカソード部23とアノード部24との間隔は、いずれの対においても略等しく設定されている。
反応ガスが導入された反応室12において、カソード部23およびアノード部24に高周波電源2によって高周波電圧が印加されることにより、基板支持部材21には浮遊電位が生じる。その結果、基板支持部材21の電位は、カソード部23の電位とアノード部24の電位との間となり、これらの電位差によってプラズマ形成領域25にプラズマが生じる。このプラズマにより、基板支持部材21によって所定の温度に加熱されながら矢印26の方向に移動する基板10の表面上に膜が形成される。
次に、本発明の第3の実施形態について、図4を用いて説明する。
本実施形態の薄膜形成装置が上記の第1の実施形態と異なる点は、アノード部3が調整器31を介して設置している点である。
調整器31は、コイルおよびコンデンサを備えており、インダクタンスまたは静電容量の変更をすることにより、インピーダンスを変更することが可能とされている。また、調整器31は、基板支持部材11の電位がアノード部4の電位とカソード部3の電位との間に位置するようにインピーダンスが設定されている。
このように、アノード部4が調整器31を介して設置されていることにより、基板支持部材11の電位を常にカソード部3の電位とアノード部4の電位との間に位置させることが可能となる。これにより、カソード部3と基板支持部材11との間ならびにアノード部4と基板支持部材11との間で安定したプラズマを発生させることが可能となる。
次に、本発明の第4の実施形態について、主に図7を用いて説明する。
本実施形態の薄膜形成装置が上記の各実施形態と異なる点は、移動機構41を備えることにより、カソード部3またはアノード部4と基板支持部材11との距離が調整可能とされている点である。
反応室12の壁面に設置された移動機構41は、被移動物45を介して基板支持部材11またはアノード部4に接続されている。また、カソード部3は反応室12の壁面に対して固定されている。これにより、カソード部3と基板支持部材11との距離およびアノード部4と基板支持部材11との距離を独立に変更することが可能となる。
また、大電力を効率良く反応室12内に導入するために、カソード部3の給電部は同軸直管構造とされている。つまり、反応室12の壁面に設けられた同軸直管43の内部には導電軸46が設けられ、導電軸46は高周波電源2およびカソード部3に接続されている。また、アノード部4と同軸直管43とは適切なフレキシブル素材(例えばアルミ箔)42で接続されている。これにより、アノード部4と反応室12の壁面とを常に同電位とすることができるので、電気特性を保ったままアノード部4を移動することが可能となる。
特に、直線的移動機構等をカソード部3またはアノード部4に設け、反応室12外部からカソード部3またはアノード部4の位置を調整可能とすれば、電極構造を変更することなく、放電を見ながら容易にプラズマ強度を調整することが可能となる。なお、移動機構41は直線導入端子を使用しても良い。
2 高周波電源
3,23 カソード部
4,24 アノード部
5,28,35 プラズマ発生装置
10 基板
11,21 基板支持部材
31 調整器
41 移動機構
Claims (7)
- プラズマを利用して基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
前記基板の表面に対向して配置され、互いに所定の間隔をおいて配置される複数のカソード部と、
前記基板の表面に対向して配置されるとともに、該カソード部間に少なくとも一つ配されるアノード部と、
前記カソード部および前記アノード部と前記基板を介して反対側に配置され、前記カソード部との間および前記アノード部との間にプラズマを発生させるための基板支持部材と、
前記カソード部および前記アノード部に接続され、前記カソード部に高周波電圧を供給する少なくとも1つの高周波電源と
を備え、
前記アノード部は少なくとも1つのカソード部と対をなして配置され、更に、対をなして配置された前記カソード部と前記アノード部との間の距離が、両者間で放電が発生しない距離であり、かつ、全ての対においていずれも略等しく設定され、
前記基板支持部材の電位が、前記カソード部の電位と前記アノード部の電位との間の浮遊電位とされている薄膜形成装置。 - プラズマの発生する方向に略直交する方向に基板を移動させ、該基板の表面にプラズマを利用して薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
前記基板の表面に対向するように配置される少なくとも1つのカソード部と、
前記基板の表面に対向するように配置されるとともに、該カソード部と対をなして配置されるアノード部と、
前記カソード部および前記アノード部と前記基板を介して反対側に配置され、前記カソード部との間および前記アノード部との間にプラズマを発生させるための基板支持部材と、
前記カソード部および前記アノード部に接続され、前記カソード部に高周波電圧を供給する少なくとも1つの高周波電源と
を備え、
対をなして配置された前記アノード部と前記カソード部との間隔は、両者間で放電が発生しない距離とされ、
前記基板支持部材の電位が、前記カソード部の電位と前記アノード部の電位との間の浮遊電位とされている薄膜形成装置。 - 前記カソード部または前記アノード部と前記基板支持部材との距離が調整可能とされている請求項1または2に記載の薄膜形成装置。
- 前記アノード部は、インピーダンスが可変である調整器を介して接地されており、
前記調整器は、前記基板支持部材の電位が前記アノード部の電位と前記カソード部の電位との間に位置するようにインピーダンスが設定されている請求項1から3のいずれかに記載の薄膜形成装置。 - 前記調整器は、前記高周波電源と前記カソード部との間の電流値と、前記アノード部と前記調整器との間の電流値が等しくなるようにインピーダンスが設定されている請求項4に記載の薄膜形成装置。
- プラズマを利用して基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に用いられるプラズマ発生装置であって、
前記基板の表面に対向して配置され、互いに所定の間隔をおいて配置される複数のカソード部と、
前記基板の表面に対向して配置されるとともに、該カソード部間に少なくとも一つ配されるアノード部と、
前記カソード部および前記アノード部と前記基板を介して反対側に配置され、前記カソード部との間および前記アノード部との間にプラズマを発生させるための基板支持部材と、
前記カソード部および前記アノード部に接続され、前記カソード部に高周波電圧を供給する少なくとも1つの高周波電源と
を備え、
前記アノード部は少なくとも1つのカソード部と対をなして配置され、更に、対をなして配置された前記カソード部と前記アノード部との間の距離が、両者間で放電が発生しない距離であり、かつ、全ての対においていずれも略等しく設定され、
前記基板支持部材の電位が、前記カソード部の電位と前記アノード部の電位との間の浮遊電位とされているプラズマ発生装置。 - プラズマの発生する方向に略直交する方向に基板を移動させ、該基板の表面にプラズマを利用して薄膜を形成する薄膜形成装置に用いられるプラズマ発生装置であって、
前記基板の表面に対向するように配置される少なくとも1つのカソード部と、
前記基板の表面に対向するように配置されるとともに、該カソード部と対をなして配置されるアノード部と、
前記カソード部および前記アノード部と前記基板を介して反対側に配置され、前記カソード部との間および前記アノード部との間にプラズマを発生させるための基板支持部材と、
前記カソード部および前記アノード部に接続され、前記カソード部に高周波電圧を供給する少なくとも1つの高周波電源と
を備え、
対をなして配置された前記アノード部と前記カソード部との間隔は、両者間で放電が発生しない距離とされ、
前記基板支持部材の電位が、前記カソード部の電位と前記アノード部の電位との間の浮遊電位とされているプラズマ発生装置。
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